Аварийные режимы асинхронных
электродвигателей
и способы их защиты

СРЕДСТВА ЗАЩИТЫ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ, ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Рассмотренные выше аварийные режимы сопровождаются разнообразными явлениями, оказывающими различное влияние на срок службы двигателя. Для того чтобы во всех случаях гарантировать сохранность двигателя, защита должна обладать свойством универсальности. При любых ситуациях, угрожающих аварией, она должна либо действовать на сигнал, либо отключать двигатель. Известно много разнообразных устройств, предназначенных для защиты асинхронных двигателей. Все они имеют определенные достоинства и недостатки. Однако осуществить принцип универсальности в полной мере не удается.

Применение универсальных защит повышенной надежности ограничивается экономическими факторами. Более простая защита дешевле, но для поддержания ее в исправном состоянии требуются определенные эксплуатационные затраты. Более совершенная защита, как правило, дороже, хотя требует меньше наблюдения в процессе эксплуатации. Для выбора оптимального решения необходимо проводить технико-экономический расчет, принимая во внимание затраты на приобретение устройства, его монтаж и эксплуатацию, а также величину ущерба при отказе защиты из-за ее несовершенства.

Для защиты асинхронных двигателей в сельском хозяйстве применяют плавкие предохранители, реле с биметаллическими пластинами (тепловые реле), встроенную температурную защиту.
Плавкие предохранители — самое простое и наиболее распространенное устройство защиты. Их работа основана на принципе разрыва электрического тока в специально ослабленном месте. По сравнению с другими токоведущими частями плавкая вставка имеет наименьшую площадь сечения. В случае протекания опасного тока в этом месте проводник сгорает и отключает цепь. Для защиты электроустановок низкого напряжения применяют плавкие предохранители серий ПРС и ПН.

Предохранители серии ПРС изготавливают на номинальные токи 6, 20, 63 и 100 А. Плавкие вставки имеют более дробную шкалу номинальных токов: 1, 2, 4, 6, 10, 16, 20, 25, 40, 63, 80 и 100 А. К защитным характеристикам плавких вставок предъявляют следующие требования. При токе 1,3 номинального она не должна плавиться в течение 1 ч, а при токе 1,6 номинального за это же время она должна расплавиться. Следовательно, токовые перегрузки 30% и менее плавкими вставками не отключаются, а в отношении перегрузок 30 — 60% ничего определенного сказать нельзя. И только при перегрузках 60% и более плавкая вставка срабатывает за время менее  1  ч.
Такая неопределенность требований к защитной характеристике объясняется недостатками принципа действия. Если потребовать, чтобы плавкая вставка сгорала при небольших перегрузках, то при номинальном токе она будет нагреваться до состояния, близкого к плавлению. Это приведет к быстрому окислению материала и впоследствии к сгоранию при номинальном токе. Нужно также иметь в виду и значительный разброс характеристик из-за неодинаковой площади сечения вставки, неоднородности материала и других факторов.

Предохранители ПН-2 имеют закрытый патрон, засыпанный наполнителем (мелкий очищенный кварцевый песок). Назначение наполнителя — ускорить охлаждение и разрыв электрической дуги, возникающей при разрыве цепи в момент сгорания плавкой вставки. Лучшее охлаждение позволяет уменьшить габариты патрона. Плавкие вставки предохранителей ПН-2 изготавливают из медной проволоки или тонкой медной ленты. В средней части напаивают оловянный шарик. При нагревании в первую очередь плавится олово и растворяет медь. Благодаря этому проволока перегорает при меньших токах. Тем  самым  улучшается  ее защитная  характеристика.

Предохранители, рассчитанные на большие токи, имеют несколько параллельных ветвей вставок небольшой площади сечения, что повышает их чувствительность и улучшает условия гашения дуги.

Рассмотрим, как плавкая вставка обеспечивает защиту электродвигателя при разных аварийных режимах.

Рис. 11. Защитная характеристика плавкой вставки.

На рисунке 11 представлена защитная характеристика плавкой вставки. По оси абсцисс отложены токи в относительных единицах. По оси ординат — время срабатывания в логарифмическом масштабе. Защитные свойства плавкой вставки характеризуются не одной кривой, а целой зоной, имеющей большую ширину. Из-за действия большого числа разнообразных факторов наблюдается разброс характеристик. Как видно из графика, диапазон изменения времени срабатывания получается значительным. Например, при токе 2Iн время срабатывания может быть от 20 до 50 с. Следует обратить внимание на левую ветвь графика, отражающую работу защиты при токах, близких к номинальным. С точки зрения точности действия желательно, чтобы защитная зона по возможности ближе подходила к прямой АВ, соответствующей номинальному току. Наличие зоны разброса не позволяет приблизить защитную характеристику к прямой АВ, так как возможно ложное срабатывание при номинальном токе. В то же время существует вероятность ее отклонения вправо, в область недопустимых значений. Сузить защитную зону плавкой вставки до приемлемых размеров не удается. Поэтому при сравнительно небольших, но длительных перегрузках ее четкое действие становится невозможным. Именно этими обстоятельствами объясняется тот факт, что токовые перегрузки 30% и менее  плавкими  вставками не отключаются.

Указанные недостатки плавких предохранителей практически невозможно устранить за счет улучшения их конструкции. На время срабатывания влияют небольшие отклонения площади сечения, неоднородность материала, изменение условий охлаждения, окисление поверхности и т. п. Эти факторы не поддаются учету при  выборе защиты.

При перегрузках, в несколько раз превышающих номинальный ток, время срабатывания также имеет разброс. Однако выдержки времени при этом составляют десятые и сотые доли секунды. За это время двигатель не успевает нагреться до опасной температуры. Поэтому разброс на этом участке характеристики не имеет существенного значения с точки зрения нагрева изоляции. Быстродействие защиты при больших перегрузках (например, короткие замыкания) желательно для предупреждения повреждения контактов аппаратуры включения.

Плавкие вставки в цепях короткозамкнутых двигателей выбирают по рабочему току и проверяют по пусковому. По первому условию

где Iн.д — номинальный ток двигателя; Iв — номинальный ток плавкой вставки; по второму условию: где Iп — пусковой ток двигателя.

Известно, что пусковой ток короткозамкнутого двигателя в 5 — 7 раз превышает номинальный. Двигатель рассчитан так, что протекание пускового тока в течение 10 — 12 с не приводит к тепловому износу изоляции. Плавкую вставку следует выбирать с таким расчетом, чтобы можно было осуществлять пуск двигателя в течение 10 с без ложного отключения. Если выбрать плавкую вставку по номинальному току двигателя, то в соответствии с ее характеристикой она сгорит через доли секунды и отключит двигатель.

Если  учесть  пусковой ток,  то по  условию  (36)

Рис. 12. Принципиальная  схема   устройства теплового реле

Рис. 13. Схема включения магнитного пускателя с тепловым реле.

Рис. 14. Внешний вид реле.

Таким образом, плавкие вставки для короткозамкнутых двигателей приходится выбирать по току, в 2 — 3 раза превышающему номинальный ток двигателя. Отсюда следует, что их можно использовать только как средство защиты от коротких замыканий.

Наибольшее распространение как средство защиты от перегрузок получили тепловые реле с биметаллическими элементами. На рисунке 12 показан принцип действия таких реле. Контролируемый ток протекает по нагревательному элементу 1. Биметаллическая пластина 7, которой передается тепло от нагревательного элемента, изгибаясь, выходит из зацепления с рычагом 2. Под действием пружины 4 тяга 5 размыкает контакты 6, которые включены последовательно с катушкой магнитного пускателя (рис. 13). Для восстановления исходного положения механизма служит кнопка 3. На изгиб биметаллической пластины влияет температура окружающей среды. Для устранения этого недостатка в тепловых реле серии ТРН предусмотрена температурная компенсация. Отклонение конца биметаллической пластины под действием температуры компенсируется отклонением в противоположную сторону конца другой биметаллической пластины, на которую не действует контролируемый ток.

В сельском хозяйстве применяют тепловые реле серии ТРН и ТРП (рис. 14). Двухполюсные тепловые реле серии ТРН с температурной компенсацией предназначены для защиты от перегрузок трехфазных асинхронных двигателей. Конструкция и размеры реле таковы, что их комплектно встраивают в магнитные пускатели серии ПМЕ и ПА. Реле выпускают только в открытом исполнении; они не рассчитаны для работы во взрывоопасной среде, а также в среде, содержащей значительное количество пыли, агрессивные газы и пары в концентрациях, разрушающих металлы и изоляцию.

Ток уставки реле зависит от номинального тока сменного нагревателя и положения регулятора тока уставки. Пределы регулировки тока уставки (при крайних положениях регулятора) составляют 0,75 — 1,3 номинального тока нагревательного элемента.

Рис. 15. Защитные характеристики теплового реле.

Защитные характеристики реле (с зонами возможного разброса срабатывания) приведены на рисунке 15. Из приведенных графиков видно, что они значительно разбросаны. Например, при кратности тока 1,5 время срабатывания защиты из горячего состояния (зона 2) (после прогрева рабочим током) может колебаться в пределах 10 — 60 с, а из холодного состояния (зона 1) от 100 до 200 с.

Тип реле и нагревательного элемента выбирают, исходя из следующих положений. Номинальный ток нагревательного элемента должен быть не меньше номинального тока двигателя. Ток уставки реле должен быть равен номинальному току двигателя. Необходимо обеспечить запас на регулировку. Для этого на шкале уставки следует сохранить 1 — 2 свободных деления в сторону увеличения или уменьшения тока уставки. Каждое из 10 делений шкалы (по пять делений вправо и влево от нулевой риски) соответствует в среднем 5% номинального тока нагревательного элемента. Так как реле имеет температурную компенсацию, влияние температуры окружающей среды на ток уставки не учитывают.

По защитной характеристике реле следует убедиться, что оно допускает пуск данного двигателя. Время срабатывания реле при заданной кратности пускового тока не должно быть больше времени пуска двигателя.

При монтаже тепловых реле нужно соблюдать следующие правила. Не рекомендуется устанавливать их в местах, подверженных резким толчкам, ударам и сильной тряске; размещать рядом с аппаратами, выделяющими тепло; применять короткие провода при соединении с нагреваемыми частями соседних аппаратов; устанавливать реле и защищаемый двигатель в местах со значительной разницей температур окружающей среды. Следует иметь в виду, что тепловые реле не являются средством защиты от коротких замыканий. После прохождения тока короткого замыкания реле следует осмотреть и при повреждениях нагревательных элементов заменить их.

В отличие от реле ТРН реле ТРП является однополюсным и не имеет температурной компенсации. При выборе уставки рекомендуется учитывать температуру окружающей среды. Ток уставки при нулевом положении регулятора подсчитывают по формуле

где Iн — номинальный ток нагревательного элемента; t — температура окружающей среды в месте установки реле, °С. Рассмотрим, как работают тепловые реле при характерных для асинхронного двигателя аварийных режимах. Из кривых на рисунке 15 видно, что так же, как и плавкие вставки, тепловые реле имеют зону разброса. Наибольшее влияние на  сдвиг характеристик оказывает тепловое состояние биметаллической  пластинки.  Если до возникновения перегрузки она была в холодном состоянии, то время действия защиты значительно больше, чем в случае возникновения перегрузки после прогрева пластинки. Кроме того, на время срабатывания влияют другие факторы, действие которых носит случайный характер (трение в механизме, различие чувствительности биметаллических пластин и т. д.). Следует заметить, что при токах, на 20% превышающих ток уставки реле, оно срабатывает за время, не превышающее 30 мин. А при токах, в 6 раз превышающих номинальное значение, реле срабатывает за 10 с, что обеспечивает пропускание пускового тока двигателя, не отключая его. Как было отмечено выше, из-за пусковых токов плавкие вставки приходится выбирать на большие токи.

Вместе с тем тепловые реле недостаточно четко работают при перегрузках менее 20%, встречающихся довольно часто. Из-за разброса характеристик невозможно гарантировать надежную работу защиты в этих случаях.

Как показано выше, пуск двигателя при потере фазы сопровождается повышением тока в двух оставшихся фазах. Тепловые реле контролируют ток в двух фазах. При выпадении любой из фаз ток в одном из реле превысит ток уставки в 5 раз. Этого достаточно, чтобы оно надежно отключило двигатель.Иная картина наблюдается при потере фазы после включения двигателя в работу. Величина тока в этом случае зависит от механической характеристики рабочей машины и ее загрузки. Сочетание условий работы часто бывает таким, что при потере фазы ток по сравнению с номинальным повышается на 30 — 40%. С точки зрения нагрева обмоток такой ток недопустим. Для того чтобы защита сработала надежно, ее нужно точно отрегулировать. Незначительные отклонения от тока уставки могут нарушить нормальную работу реле. Следует также отметить, что при перегрузке до 20% мы не можем гарантировать отключение двигателя даже при точной регулировке реле. Если обратиться к защитным характеристикам тепловых реле, можно увидеть, что при токах, на 10 — 20% превышающих ток уставки, мы попадаем в зону, в которой наблюдается разброс характеристик реле. Защита в этой зоне может сработать, а может и не сработать. Это — принципиальный недостаток тепловых реле с биметаллическими элементами. Полностью устранить его за счет улучшения конструкции нельзя. Можно только ограничить его действие за счет сужения зоны разброса и более точной регулировкой.

В неблагоприятных условиях оказывается защита при соединении обмотки двигателя по схеме «треугольник». Как было показано выше, при однофазном режиме работы ток в наиболее нагруженной фазе возрастает быстрее, чем в линейном проводе. Поэтому нагревательные элементы, включенные в линейные провода, «не чувствуют перегрузку». Защита действует лучше, если нагревательные элементы включить в фазы «треугольника».

Рис. 16. Защитная характеристика теплового расцепителя.

При понижении напряжения и его асимметрии величина тока увеличивается. Степень перегрузки зависит в основном от коэффициента загрузки рабочей машины. Если двигатель выбран с некоторым запасом мощности, а технологический процесс, совершаемый рабочей машиной, исключает повышение нагрузки (например, вентиляционные установки), то такие режимы не представляют опасности для двигателя. Однако имеется много рабочих машин, у которых нагрузка может изменяться в больших пределах. Например, нагрузка, создаваемая шнековым транспортером, зависит от физико-механических свойств транспортируемого материала. Поэтому несмотря на то, что двигатель обычно эксплуатируется с недогрузкой, в течение определенного времени он может работать с номинальной нагрузкой. В этом случае понижение или асимметрия напряжения приводит к незначительному возрастанию тока сверх номинального значения. При таких перегрузках нельзя добиться удовлетворительной работы тепловых реле. Однако здесь нужно иметь в виду, что в большинстве случаев превышение тока на несколько процентов выше номинального не представляет серьезной опасности для двигателя. Это объясняется, во-первых, запасом нагревостойкости самого двигателя, во-вторых, более низкой по сравнению с расчетной (40°С) температурой окружающей среды. Из сказанного не следует, что при эксплуатации можно доводить нагрузку двигателя до предельного значения. Правильным будет считать такой режим допустимым, но нежелательным, так как при этом надежность работы электроустановки обеспечивается только за счет теплового запаса двигателя.

Рис. 17. Температурные характери-стики терморезисторов: 1 — СТ14-1Б; 2 — CT14-1A.

Для нечастых пусков и защиты асинхронных короткозамкнутых двигателей применяют автоматические выключатели (автоматы) серий АП-50 и А-3100. Автоматы представляют собой аппараты, в которых совмещены выключатель и защита от перегрузок и коротких замыканий. Защита от перегрузок осуществляется тепловыми расцепителями (по одной на каждую фазу). Их принцип действия такой же, как и у тепловых реле. Они имеют нагревательные элементы, которые действуют на биметаллические пластины, отключающие двигатель. Защита от коротких замыканий осуществляется электромагнитными расцепителями, которые представляют собой токовые реле, действующие на защелку автомата. При коротком замыкании сердечник катушки под действием тока нажимает на защелку, удерживающую во включенном состоянии автомат, и под действием пружины контакты размыкаются, отключая двигатель от сети.

Защитная характеристика   теплового     расцепителя (рис.   16) аналогична характеристике теплового реле. Она также зависит от величины тока. При токе,   равном 1,1 от тока уставки, тепловой расцепитель не срабатывает    в   течение часа,  при токе 1,35 от тока уставки срабатывает за 30 мин не более, а шестикратный ток отключает за 2 — 10 с, при нагрузке всех полюсов одновременно из холодного состояния. Восьмикратные токи электромагнитный расцепитель отключает практически мгновенно. Уставки  теплового  расцепителя  можно  регулировать. В отношении достоинств и недостатков тепловых расцепителей автоматов остаются в силе все замечания, сделанные в отношении к тепловым реле.

За последние годы разработали и внедряют новый тип защиты — встроенную температурную защиту, реагирующую на температуру обмоток двигателя [4]. В качестве датчика температуры используют полупроводниковый элемент, сопротивление которого изменяется в зависимости от температуры. Различают полупроводники с отрицательным температурным коэффициентом (термисторы) и с положительным (позисторы). У термисторов сопротивление с возрастанием температуры уменьшается а у позисторов, наоборот, увеличивается. На рисунке 17 показаны температурные характеристики терморезисторов СТ14-1Б и СТ14-1А, применяемых в качестве датчиков температуры устройства встроенной защиты УВТЗ. Как следует из графика, при температуре 110°С для СТ14-1Б и 130°С для СТ14-1А сопротивление терморезисторов возрастает скачкообразно. Этот скачок является сигналом для отключения двигателя.

Датчики конструктивно выполнены в виде дисков диаметром 3 мм и толщиной 1,5 мм. Устанавливают их в лобовой части обмоток на каждую фазу и соединяют последовательно.

В комплект УВТЗ входит управляющее устройство, состоящее из преобразователя и исполнительного реле. На рисунке 18 приведена принципиальная электрическая схема УВТЗ-1. Питание схемы осуществляется через выпрямительный мост с диодами Д. Стабилотрон Д служит для стабилизации напряжения. Датчики температуры присоединены к зажимам 5 и 6. Вместе с резисторами они образуют делитель напряжения. Напряжение между точками 5 и 6 (следовательно и потенциал базы транзистора Т1) зависит от величины сопротивления термодатчиков.

Рис. 18. Принципиальная электрическая схема УВТЗ-1.

Если температура обмоток ниже допустимой, сопротивление позисторов невелико по сравнению с сопротивлением R4. Соответственно распределяется и напряжение на зажимах этих сопротивлений. При этом транзистор Т2 будет открытым, а транзистор Т1, закрытым. С транзистора T2 напряжение подается на управляющий переход тиристора Д7, последовательно с которым включена обмотка исполнительного реле Р. Контакты реле Р включены последовательно с катушкой магнитного пускателя. При увеличении температуры обмоток двигателя сверх допустимого значения сопротивление позисторов (или одного из них) резко возрастает. В соответствии с этим происходит перераспределение напряжения между сопротивлением и позисторами. При этом транзистор T2 закрывается, что приводит к закрыванию тиристора Д7 и отключению магнитного пускателя.

Таким образом, УВТЗ реагирует на температуру обмоток двигателя независимо от причины, вызвавшей нагрев; в этом заключается одно из ее главных достоинств. Опыт применения таких устройств показал, что они надежно защищают двигатели. Однако более высокая стоимость этого устройства ограничивает сферу ее применения. Другим недостатком является запаздывание срабатывания при быстром нарастании температуры. Дело в том, что датчик температуры выдает сигнал с некоторой задержкой. Нужно определенное время для того, чтобы позистор нагрелся до температуры, которую имеет обмотка. Запаздывание зависит от размеров датчика и его размещения относительно обмотки. Устранить полностью его не удается, можно лишь уменьшить до приемлемых величин. В последних конструкциях температурной защиты   запаздывание   снижено  до   нескольких   секунд.

Кроме рассмотренных устройств, широко применяемых для защиты асинхронных двигателей, разработано много других, предназначенных для защиты от потери фазы. Тепловые реле и встроенная температурная защита в большинстве случаев надежно отключают при опасных аварийных ситуациях. Правилами устройства электроустановок определено, что применение специальной защиты от работы в однофазном режиме допускается лишь в порядке исключения для двигателей, защищенных предохранителями и не имеющих защиты от перегрузки, если потеря одной фазы ведет к выходу из строя с тяжелыми последствиями. В сельском хозяйстве случаи потери фазы наблюдаются довольно часто. Это объясняется недостаточно высоким уровнем надежности сельского электроснабжения. В случае перегорания одной из плавких вставок в распределительном устройстве целая группа двигателей оказывается в опасном аварийном режиме. Их выход из строя может полностью нарушить производство и нанести большой ущерб хозяйству. Для того чтобы предупредить такие нежелательные последствия, некоторые авторы рекомендуют применять различные специальные виды защиты в дополнение к основной. Однако увлекаться этим не следует. Вопреки существующему мнению такая защита часто не оправдывает возлагаемых на нее надежд. Рассмотрим работу некоторых из них.

Рис. 19.   Принципиальные схемы специальных видов защиты от работы в однофазном режиме: а — с реле, включенным между нулевой точкой „звезды" и ну­левым   проводом; б — с реле, включенным на линейное напряжение.

Все схемы специальной защиты от перегрузки при потере фазы можно разбить на две большие группы: реагирующие на несимметрию напряжения и реагирующие на несимметрию токов. Большее распространение получила первая группа. На рисунке 19 показаны принципиальные схемы наиболее характерных из этой группы видов защиты. Для анализа их работы используем полученные ранее соотношения между напряжениями отдельных элементов схемы.

На схеме 19, а между нулевой точкой «звезды» и нулевым проводом включено реле, размыкающие контакты которого включены последовательно с блокирующими контактами магнитного пускателя. В случае соединения обмоток по схеме «треугольник» реле включают между искусственной нулевой точкой, создаваемой сопротивлениями, и нулевым проводом сети. Предполагается, что в случае исчезновения одной из фаз на обмотках двигателе напряжения станут несимметричными, а между нулевой точкой «звезды» (искусственным нулем при «тре­угольнике») и нулевым проводом сети появится напряжение. Реле сработает и отключит магнитный пускатель. Как было показано выше, степень несимметрии напряжений при потере фазы (а следовательно, и напряжения на зажимах реле Р) зависит от скольжения ротора. При неподвижном роторе (скольжение равно единице) напряжение будет равно половине линейного. Этого сигнала достаточно, чтобы сработало реле Р. Если потеря фазы произошла после включения двигателя в сеть, то напря­жение зависит от скольжения, которое, в свою очередь, определяется нагрузкой на валу. На холостом ходу и при незначительных нагрузках напряжение остается практически симметричным. Несимметрия резко возрастает с увеличением нагрузки. Схема должна вступать в действие при степени несимметрии, соответствующей повышению тока выше номинального. Кроме того, реле необходимо отстроить от некоторой несимметрии, всегда существующей в питающей линии из-за подключения однофазных потребителей. Это затрудняет настройку реле. Другим недостатком схемы является ложное срабатывание при пуске двигателя. Из-за неодновременного замыкания контактов магнитного пускателя появляется ложный сигнал на отключение. Возможны также кратковременные искажения симметричной системы напряжения при включении других потребителей или коротких замыканиях на других участках питающей линии. Для предупреждения ложного срабатывания схемы нужно либо отключать реле на время пуска, либо применять реле с выдержкой времени.

Аналогичные недостатки имеет схема с двумя реле, включенными на линейное напряжение (рис. 19, б). Так же как и в рассмотренной выше схеме, при холостом ходе или при малой нагрузке напряжение практически будет симметричным.

В схемах второй группы используют токовые реле. Три однофазных реле (или одно трехфазное) настраивают таким образом, чтобы при исчезновении тока в одной из фаз двигатель отключался. Более совершенна так называемая фильтровая токовая защита. При появлении несимметрии токов фильтр выделяет составляющую нулевой последовательности. Этот сигнал используется для отключения магнитного пускателя. Схемы второй группы действуют достаточно надежно, однако они дороги и сложны в наладке и обслуживании, поэтому их применяют редко.